Эксперимент с каплей масла - Oil drop experiment

Не путать с Эксперимент с падением высоты звука.

Установка Милликена для эксперимента с каплей масла

В эксперимент с каплей масла был выполнен Роберт А. Милликен и Харви Флетчер в 1909 г. для измерения элементарный электрический заряд (обвинение электрон ). Эксперимент проходил в Физической лаборатории Райерсона на Чикагский университет.^[1][2][3] Милликен получил Нобелевская премия по физике в 1923 г.^[4][5]

В эксперимент влечет за собой наблюдение крошечных электрически заряженных капли масла, расположенного между двумя параллельными металлическими поверхностями, образуя пластины конденсатор. Пластины были ориентированы горизонтально, одна пластина над другой. Туман распыленный капли масла вводились через небольшое отверстие в верхней пластине и ионизированный по Рентгеновский, делая их отрицательно заряженными. Сначала при нулевом приложенном электрическом поле измерялась скорость падающей капли. В предельная скорость, то тянуть сила равна гравитационный сила. Поскольку обе силы по-разному зависят от радиуса, радиус капли и, следовательно, масса и гравитационная сила могут быть определены (с использованием известного плотность масла). Затем напряжение, вызывающее электрический поле прикладывали между пластинами и регулировали до тех пор, пока капли не будут взвешены в механическое равновесие, указывая на то, что электрическая сила и гравитационная сила находятся в равновесии. Используя известное электрическое поле, Милликен и Флетчер мог определить заряд масляной капли. Повторяя эксперимент для многих капель они подтвердили, что все заряды были малыми целыми числами, кратными определенной базовой величине, которая, как оказалось, 1.5924(17)×10⁻¹⁹ C, примерно на 0,6% отличия от принятого в настоящее время значения 1.602176634×10⁻¹⁹ C.^[6][7] Они предположили, что это величина отрицательного заряда отдельного электрона.

Фон

Роберт А. Милликен в 1891 г.

Начиная с 1908 г., когда профессор на Чикагский университет, Милликен, при значительном участии Флетчера,^[8] и, улучшив свою установку, в 1913 году опубликовал свое основополагающее исследование.^[9] Это остается спорным, поскольку в документах, найденных после смерти Флетчера, описываются события, в которых Милликен вынудил Флетчера отказаться от авторства в качестве условия для получения его докторской степени.^[10][11] В свою очередь, Милликен использовал свое влияние для поддержки карьеры Флетчера в Bell Labs.

Эксперимент Милликена и Флетчера включал измерение силы, действующей на масляные капли в стеклянной камере, зажатой между двумя электродами, один вверху и один внизу. Рассчитав электрическое поле, они смогли измерить заряд капли, причем заряд отдельного электрона был (1.592×10⁻¹⁹ C). Во время экспериментов Милликена и Флетчера с каплями масла существование субатомные частицы не было общепринятым. Экспериментируя с катодные лучи в 1897 г., Дж. Дж. Томсон обнаружил отрицательно заряженный "тельца ", как он их называл, массой примерно в 1/1837 раз меньше, чем у атом водорода. Подобные результаты были получены Джордж Фицджеральд и Вальтер Кауфманн. Большая часть того, что тогда было известно о электричество и магнетизм однако это можно объяснить тем, что плата является непрерывной переменной; во многом так же, как и многие свойства свет можно объяснить, рассматривая его как непрерывную волну, а не как поток фотоны.

В элементарный заряд е является одним из основных физические константы и поэтому точность значения имеет большое значение. В 1923 году Милликен выиграл Нобелевская премия в физика отчасти из-за этого эксперимента.

Помимо измерения, прелесть эксперимента с каплей масла заключается в том, что это простая и элегантная практическая демонстрация квантования заряда. Томас Эдисон, который ранее думал о заряде как о непрерывной переменной, убедился в этом после работы с аппаратом Милликена и Флетчера.^[12] С тех пор этот эксперимент повторялся поколениями студентов-физиков, хотя он довольно дорог и труден для правильного проведения.

За последние два десятилетия^{[требуется разъяснение ]}, было проведено несколько автоматизированных компьютерных экспериментов по поиску изолированных фракционно заряженных частиц. По состоянию на 2015 год не было обнаружено никаких доказательств наличия частиц с дробным зарядом после измерения более 100 миллионов капель.^[13]

Экспериментальная процедура

Аппарат

Упрощенная схема эксперимента Милликена с каплей масла

Аппарат для экспериментов с каплями масла

Аппарат Милликена и Флетчера состоял из пары параллельных горизонтальных металлических пластин. Путем приложения разности потенциалов к пластинам в пространстве между ними создавалось однородное электрическое поле. Для разделения пластин использовалось кольцо из изоляционного материала. В кольце были вырезаны четыре отверстия, три для освещения ярким светом и еще одно для просмотра в микроскоп.

Мелкий туман из капель масла распылялся в камеру над пластинами. Масло было того типа, который обычно используют в вакуум аппарат и был выбран из-за чрезвычайно низкого давление газа. Обычное масло испаряется под действием тепла источника света, вызывая изменение массы масляной капли в ходе эксперимента. Некоторые капли масла становились электрически заряженными из-за трения о сопло во время распыления. В качестве альтернативы зарядка может осуществляться с помощью источника ионизирующего излучения (например, Рентгеновская трубка ). Капли попадали в пространство между пластинами, и, поскольку они были заряжены, их можно было заставить подниматься и опускаться, изменяя напряжение на пластинах.

Метод

Первоначально каплям масла дают возможность падать между пластинами при выключенном электрическом поле. Они очень быстро достигают предельная скорость из-за трения с воздухом в камере. Затем включается поле и, если оно достаточно большое, некоторые из капель (заряженные) начнут подниматься. (Это потому, что направленная вверх электрическая сила F_E для них больше, чем сила притяжения, направленная вниз F_грамм, точно так же, как кусочки бумаги можно собирать заряженным резиновым стержнем). Выбирается наиболее вероятная капля и удерживается в центре поля зрения путем попеременного отключения напряжения до тех пор, пока не упадут все остальные капли. Затем эксперимент продолжается с этой одной каплей.

Капле позволено упасть, и ее конечная скорость v₁ при отсутствии электрического поля. В тянуть сила, действующая на каплю, может быть вычислена с помощью Закон Стокса:

${\displaystyle F_{d}=6\pi r\eta v_{1}\,}$

где v₁ - конечная скорость (т.е. скорость в отсутствие электрического поля) падающей капли, η это вязкость воздуха, и р это радиус капли.

Вес ш объем D умноженное на плотность ρ и ускорение свободного падения грамм. Однако необходим видимый вес. Кажущийся вес в воздухе - это истинный вес минус подъем (что равно весу воздуха, вытесненного каплей масла). Кажущийся вес идеально сферической капли можно записать как:

${\displaystyle {\boldsymbol {w}}={\frac {4\pi }{3}}r^{3}(\rho -\rho _{\textrm {air}}){\boldsymbol {g}}}$

При предельной скорости капля нефти не ускорение. Следовательно, общая сила, действующая на него, должна быть равна нулю, а две силы F и ${\displaystyle {w}}$ должны компенсировать друг друга (то есть F = ${\displaystyle {w}}$). Из этого следует

${\displaystyle r^{2}={\frac {9\eta v_{1}}{2g(\rho -\rho _{\textrm {air}})}}.\,}$

Один раз р рассчитывается, ${\displaystyle {w}}$ легко решить.

Теперь поле снова включено, и электрическая сила, действующая на каплю, равна

${\displaystyle F_{E}=qE\,}$

где q это заряд на капле масла и E - электрическое поле между пластинами. Для параллельных пластин

${\displaystyle E={\frac {V}{d}}\,}$

где V это разность потенциалов и d расстояние между пластинами.

Один мыслимый способ тренировки q было бы отрегулировать V пока капля масла не осталась стабильной. Тогда мы могли бы приравнять F_E с ${\displaystyle {w}}$. Кроме того, определение F_E оказывается трудным, потому что массу нефтяной капли трудно определить без использования закона Стокса. Более практичный подход - повернуть V немного вверх, чтобы капля масла поднялась с новой конечной скоростью v₂. потом

${\displaystyle q{\boldsymbol {E}}-{\boldsymbol {w}}=6\pi \eta {\boldsymbol {(r\cdot v_{2})}}=\left|{\boldsymbol {\frac {v_{2}}{v_{1}}}}\right|{\boldsymbol {w}}.}$

Обвинения в мошенничестве

Некоторые споры были вызваны историком Джеральд Холтон (1978), который указал, что Милликен записал в свой журнал больше измерений, чем включил в свои окончательные результаты. Холтон предположил, что эти точки данных были без видимой причины опущены из большого набора капель масла, измеренных в его экспериментах. Это требование было оспорено Аллан Франклин, физика высоких энергий экспериментатор и философ науки в Колорадский университет.^[14] Франклин утверждал, что исключение данных Милликеном существенно не повлияло на его окончательное значение е, но уменьшил статистическая ошибка около этой оценки е. Это позволило Милликену утверждать, что он рассчитал е до более чем половины процента; Фактически, если бы Милликен включил все данные, которые он выбросил, стандартная ошибка среднего была бы в пределах 2%. Хотя это все равно привело бы к тому, что Милликен измерил е Лучше, чем кто-либо другой в то время, немного большая неопределенность могла вызвать большее несогласие с его результатами в физическом сообществе. Хотя Франклин оставил свою поддержку измерений Милликена, сделав вывод, что он допускает, что Милликен, возможно, провел «косметическую операцию» на данных, Дэвид Гудштейн исследовал оригинальные подробные записные книжки, хранящиеся у Милликена, и пришел к выводу, что Милликен прямо заявляет здесь и в отчетах, что он включил только капли, подвергшиеся "полная серия наблюдений"и исключили ни одного падения из этой группы полных измерений.^[15][16] Причины неспособности произвести полное наблюдение включают аннотации, касающиеся настройки устройства, добычи капель нефти и атмосферных эффектов, которые, по мнению Милликена, сделали недействительным данное конкретное измерение (что подтверждается уменьшенной ошибкой в ​​этом наборе).

Эксперимент Милликена как пример психологических эффектов в научной методологии

Смотрите также: Предвзятость подтверждения § Science_and_scientific_research

В адрес открытия данный на Калифорнийский технологический институт (Caltech) в 1974 г. (перепечатано в Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман! в 1985 г., а также в Удовольствие узнавать вещи в 1999 г.), физик Ричард Фейнман отметил:^[17][18]

Мы многому научились на собственном опыте, как справляться с некоторыми способами, которыми мы себя обманываем. Один пример: Милликен измерил заряд электрона в эксперименте с падающими каплями масла и получил ответ, который, как мы теперь знаем, не совсем правильный. Это немного не так, потому что он указал неверное значение вязкости воздуха. Интересно взглянуть на историю измерений заряда электрона после Милликена. Если вы изобразите их как функцию времени, вы обнаружите, что один немного больше, чем у Милликена, следующий - немного больше, а следующий - немного больше, пока, наконец, они не успокоятся. число, которое выше.
Почему они не сразу обнаружили, что новое число выше? Ученые стыдятся этой истории - этой истории - потому что очевидно, что люди делали такие вещи: когда они получали число, которое было слишком высоко по сравнению с числом Милликена, они думали, что что-то не так, и они будут искать и находить причину почему что-то может быть не так. Когда они получили число, близкое к значению Милликена, они не стали так усердствовать. И поэтому они удалили числа, которые были слишком далеки, и сделали другие подобные вещи ...

По состоянию на май 2019 г.^{[Обновить]} величина элементарного заряда определенный быть точно 1.602176634×10⁻¹⁹ C^[6].До этого самое последнее (2014 г.) принятое значение^[19] был 1.6021766208(98)×10⁻¹⁹ C, где (98) указывает неопределенность двух последних десятичных знаков. В своей Нобелевской лекции Милликен дал свое измерение как 4.774(5)×10⁻¹⁰ statC,^[20] что равно 1.5924(17)×10⁻¹⁹ C. Разница составляет менее одного процента, но в шесть раз больше, чем у Милликена. стандартная ошибка, так что разногласия значительны.

Рекомендации

1. «Американское физическое общество в ознаменование Чикагского университета как исторического места физики в честь нобелевского лауреата Роберта Милликена из Чикагского университета». www-news.uchicago.edu. 28 ноября 2006 г.. Получено 2019-07-31.
2. Авеню Чикаго, Чикагский университет Эдвард Х. Леви Холл 5801 Саут-Эллис; США, Иллинойс 60637773 702 1234 Свяжитесь с нами. "Прорывы в Чикаго: 1910-е". Чикагский университет. Получено 2019-07-31.
3. «Работа физика Милликена продолжает получать одобрение». chronicle.uchicago.edu. 4 января 2007 г.. Получено 2019-07-31.
4. "Нобелевская премия по физике 1923 г.". NobelPrize.org. Получено 2019-07-31.
5. "Нобелевская премия по физике 1923 г.". NobelPrize.org. Получено 2019-07-31.
6. «2018 CODATA Value: elementary charge». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
7. "Роберт Милликен". APS Physics. Получено 26 апреля 2016.
8. Ниаз, Мансур (2000). «Эксперимент с масляной каплей: рациональная реконструкция спора Милликена – Эренхафта и его значение для учебника химии» (PDF). Журнал исследований в области преподавания естественных наук. 37 (5): 480–508. Bibcode:2000JRScT..37..480N. Дои:10.1002 / (SICI) 1098-2736 (200005) 37: 5 <480 :: AID-TEA6> 3.0.CO; 2-X.
9. Милликен, Р.А. (1913). «Об элементарном электрическом заряде и константе Авогадро» (PDF). Физический обзор. Серия II. 2 (2): 109–143. Bibcode:1913ПхРв .... 2..109М. Дои:10.1103 / PhysRev.2.109.
10. Перри, Майкл Ф. (май 2007 г.). «Вспоминая эксперимент с каплей масла». Физика сегодня. 60 (5): 56. Bibcode:2007ФТ .... 60э..56П. Дои:10.1063/1.2743125.
11. Флетчер, Харви (июнь 1982 г.). «Моя работа с Милликеном по эксперименту с каплей нефти». Физика сегодня. 43 (6): 43–47. Bibcode:1982ФТ .... 35ф..43Ф. Дои:10.1063/1.2915126.
12. Бандравал, Правин Кумар (11 марта 2009 г.). Лауреат Нобелевской премии по физике. Pinnacle Technology. стр. 169–. ISBN  978-1-61820-254-3. Получено 14 декабря 2012.
13. «SLAC - Поиск дробного заряда - Результаты». Стэнфордский центр линейных ускорителей. Январь 2007 г.. Получено 8 апреля 2015.
14. Франклин, А. (1997). «Эксперименты Милликена с каплями нефти». Химический педагог. 2 (1): 1–14. Дои:10.1007 / s00897970102a.
15. Гудштейн, Д. (2000). «В защиту Роберта Эндрюса Милликена» (PDF). Инженерия и наука. Пасадена, Калифорния: Управление по связям с общественностью Калифорнийского технологического института. 63 (4): 30–38.
16. Гудштейн, Дэвид (2001). «В защиту Роберта Эндрюса Милликена». Американский ученый. 89 (1): 54. Bibcode:2001AmSci..89 ... 54G. Дои:10.1511/2001.1.54.
17. "Наука о культе груза". Калифорнийский технологический институт. Получено 22 февраля 2018. (адаптировано из 1974 г. Калифорнийский технологический институт адрес открытия), Страницы Дональда Симанека, Университет Лок-Хейвен, ред. Декабрь 2017 г.
18. Фейнман, Ричард Филлипс; Лейтон, Ральф; Хатчингс, Эдвард (1997-04-01). «Неужто вы шутите, мистер Фейнман!»: Приключения любопытного персонажа. Нью-Йорк: W. W. Norton & Company. п. 342. ISBN  978-0-393-31604-9. Получено 10 июля 2010.
19. «Значения CODATA 2014: старые значения констант». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 25 июня 2015 г.. Получено 2019-08-19.
20. Милликен, Роберт А. (23 мая 1924 г.). Электрон и квант света с экспериментальной точки зрения (Речь). Стокгольм. Получено 2006-11-12.

дальнейшее чтение

• Serway, Raymond A .; Фаун, Джерри С. (2006). Холт: Физика. Холт, Райнхарт и Уинстон. ISBN  0-03-073548-3.
• Торнтон, Стивен Т .; Рекс, Эндрю (2006). Современная физика для ученых и инженеров (3-е изд.). Брукс / Коул. ISBN  0-495-12514-8.
• Serway, Raymond A .; Джуэтт, Джон В. (2004). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Брукс / Коул. ISBN  0-534-40842-7.

внешняя ссылка

• Моделирование эксперимента с каплей масла (требуется JavaScript)
• Томсен, Маршалл "Хорош до последней капли Истории Милликена как «консервированная» педагогика. Университет Восточного Мичигана.
• Команда CSR / TSGC "Quark search эксперимент ". Техасский университет в Остине.
• Эксперимент с каплей масла включен в список 10 самых красивых экспериментов науки [1], первоначально опубликованные в Нью-Йорк Таймс.
• Эндженесс, Т.Э. "Эксперимент Милликена с каплей масла ". 25 апреля 2005 г.
• Милликен Р. А. (1913). «Об элементарном электрическом заряде и постоянной Авогадро» (PDF). Физический обзор. Серия II. 2 (2): 109–143. Bibcode:1913ПхРв .... 2..109М. Дои:10.1103 / PhysRev.2.109. Документ Милликена, в котором обсуждаются модификации его первоначального эксперимента для повышения его точности.
• Хадспет, Пол (2000). «Поиск свободных кварков в условиях микрогравитации на Международной космической станции». Материалы конференции AIP. 504: 715–722. Bibcode:2000AIPC..504..715H. Дои:10.1063/1.1302567. Был предложен вариант этого эксперимента для Международная космическая станция.
• Перри, Майкл Ф. (2007). «Вспоминая эксперимент с каплей масла» (PDF). Физика сегодня. 60 (5): 56–60. Bibcode:2007ФТ .... 60э..56П. Дои:10.1063/1.2743125.